Atom ve Periyodik Sistem Quizi

Açılış

Cuma sabahı, dokuza çeyrek var. Ceren gözlem programının imza föyünü teslim etmek için merkez laboratuvara son kez uğruyor ve Cihangir Bey'in masasında ödünç bıraktığı not defterini buluyor. Sayfalar on günün döküntüsü: yöntem dosyasından kopyalanmış "Zn 64", koridordaki posterden 65,38, depodaki lambadan 213,9 nm, bankodaki istemden Cd, acildeki şeritten Ca²⁺ ve sıcak odadaki şişeden Tc-99m. Cihangir Bey her simgenin yanına kurşun kalemle küçük bir harf koymuş; kimine Ç, kimine E, birine ikisini birden.

"Ç çekirdek, E elektron," diyor Cihangir Bey. "Bir laboratuvar satırını sorgularken ilk soru bu: bu bilgi atomun hangi katından geliyor? Çekirdekten geliyorsa vücudun kimyası onu pek görmez, bir cihaz görür". Defterin arka kapağına da sorular yazmış. Aşağıdaki on dört soru o sayfadan geliyor; her birinde cevabını önce kendin yaz, sonra aç.

Bölüm 1 — Çekirdeğin söyledikleri

1. Defterin ilk sayfasında yöntem dosyasından iki satır var: ⁶⁴₃₀Zn ve ⁶³₂₉Cu. Her çekirdekte kaç proton ve kaç nötron vardır, ve iki çekirdeği ayrı element yapan hangi sayıdır?

Doğru: Nötron sayısı, kütle numarasından atom numarası çıkarılarak bulunur: çinkoda 64 − 30 = 34, bakırda 63 − 29 = 34. İki çekirdek aynı sayıda nötron taşıdığı hâlde iki ayrı elementtir, çünkü kimliği yalnız proton sayısı, yani atom numarası belirler. Kenar notu burada Ç, ikisi de çekirdeğin sayımıdır. Otuz altı nötronlu ⁶⁶Zn de otuz protonu yüzünden aynı ölçüde çinkodur.

2. Posterde bakırın kutusunda 63,546 yazıyor ve izotop kütleleri 62,9296 u ile 64,9278 u. ⁶³Cu'nun bolluğunu bu üç sayıdan geri hesapla ve tam bu kütlede bir bakır atomu bulunup bulunmadığını söyle.

Doğru: Hafif izotopun bolluğuna x dersen ortalama x × 62,9296 + (1 − x) × 64,9278 = 63,546 olur. Buradan x = (64,9278 − 63,546) ÷ (64,9278 − 62,9296) = 1,3818 ÷ 1,9982 ≈ 0,6915 çıkar; NIST'in verdiği bolluk da budur. 63,546 kütleli bir bakır atomu yoktur, çünkü tablodaki sayı iki atom türünün bolluklarla ağırlıklandırılmış ortalamasıdır. Ortalama 63'e yaslanıyor, çünkü her on bakır atomunun yediye yakını hafif izotoptur.

3. "Ni 64 düzeltmesi" satırına dön. ⁶⁴Ni ile ⁶⁴Zn izotop mu, izobar mı, ve kütleleri 63,927967 u ile 63,929142 u iken kütleyi tam sayı basamaklarıyla tartan bir cihaz ikisini neden ayıramaz? 60 kanalında 20.000 nikel sayımı görülürse 64 kanalına kabaca ne kadarı düşer?

Doğru: Kütle numaraları aynı, atom numaraları farklı olduğu için izobardırlar. Fark 0,001175 u ve iki tepeyi ayırmak için gereken çözünürlük 63,929 ÷ 0,001175 ≈ 54.400 eder; tam sayı basamaklarıyla çalışan cihazda ikisi aynı kanala düşer. Çinkonun 60 kütleli bir izotopu yoktur, o kanaldaki her sayım nikele aittir ve iki nikel izotopunun doğal oranı 0,009255 ÷ 0,26223 ≈ 0,0353'tür. 64 kanalına 20.000 × 0,0353 ≈ 706 nikel sayımı karışır; kütleye göre değişen iletim verimi bu kaba tahmine ayrıca bir düzeltme ekler. Aynı serumu ⁶⁶Zn'den de hesaplamak işe yarar, çünkü o izotopun kararlı bir izobarı yoktur.

4. NIST tablosunda ⁶⁴Zn atomu 63,929 u gelir. Plazma bu atomdan bir elektron kopardığında cihazın tarttığı kütle ne kadar değişir, ve kütle neden tam 64 değildir?

Doğru: Otuz elektronun toplamı 30 × 0,000548580 ≈ 0,01646 u ve payı 0,01646 ÷ 63,93 ≈ 0,000257; tek elektron bunun otuzda biridir ve tartıyı pratikte oynatmaz. Kütlenin 64 olmayışı çekirdekten gelir. Parçaların tek tek toplamı yaklaşık 64,529 u iken ölçülen atom 0,600 u daha hafiftir ve 0,600 ÷ 64,529 ≈ 0,0093 eder. Bu açık kütle kusurudur, çekirdek kurulurken salınan bağlanma enerjisi kütleden düşülmüştür; kütle numarası bir sayım, atom kütlesi bir tartıdır.

Bölüm 2 — Elektronların söyledikleri

5. Bir arkadaşın çinko iyonunun dizilimini [Ar] 3d⁸ 4s² diye yazmış, gerekçesi de "4s önce dolduğuna göre en son o boşalır". Hatayı düzelt ve aynı mantıkla Fe³⁺'ın dizilimini yaz.

Doğru: Çinko atomu [Ar] 3d¹⁰ 4s²'dir: argon düzenindeki on sekiz elektron düşülünce 30 − 18 = 12 elektron kalır, 3d on tanesini, 4s iki tanesini alır. İyonlaşmada önce 4s elektronları gider ve Zn²⁺ [Ar] 3d¹⁰ olur. Madelung sırası atomlar tabloda kurulurken eklenen elektronun adresini verir, kurulmuş bir atomdaki basamak sırasını vermez. Çinkoda, hele iyonunda, 3d 4s'ten derindedir ve koparılmaya en açık elektronlar dıştaki 4s çiftidir. Demir atomu [Ar] 3d⁶ 4s² hâlinden iki 4s elektronunu ve eşli bir d elektronunu verir, Fe³⁺ da yarı dolu [Ar] 3d⁵ ile kalır.

6. Depodaki lambanın etiketinde "Zn 213,9 nm" yazıyordu ve NIST ilgili çinko düzeyini taban hâlden 5,796 eV yukarıda veriyor. Dalga boyunu bu enerjiden elde et ve sayının simgenin hangi katından geldiğini söyle. Bakırın ezberle öngörülen 3d⁹ 4s² düzeyi temel hâlin 11.202,6 cm⁻¹ üstündeyse, bu fark lambanın geçişine göre ne kadardır?

Doğru: Elektronvolt ve nanometre biriminde hc çarpımı 1239,84 ettiğinden 1239,84 ÷ 5,796 ≈ 213,9 nm bulunur. Işığı yutan olay, dıştaki 4s çiftinden bir elektronun 4p'ye sıçramasıdır; kenar notu E. Bakırda 11.202,6 ÷ 8.065,54 ≈ 1,39 eV ve 1,39 ÷ 5,796 ≈ 0,24, geçişin dörtte birinden az. İki dizilim yakındır ama temel hâl açıkça [Ar] 3d¹⁰ 4s¹'dir. "Dolu d kabuğu kararlıdır" cümlesi bu sonucu özetler; nedenini atomun toplam enerjisindeki itme ve değiş tokuş katkıları taşır.

7. Slater kuralları sodyum ile potasyumun dış elektronuna aynı etkin çekirdek yükünü, yaklaşık 2,2'yi verir. Birinci iyonlaşma enerjileri 5,139 ve 4,341 eV ise farkı ne üretir, ve aynı kurallar berilyum ile borda neden yanılır?

Doğru: Oran 5,139 ÷ 4,341 ≈ 1,18. Etkin yük aynı kaldığına göre potasyumun elektronunu ucuzlatan, bir kabuk daha dışarıda durmasıdır; grupta aşağı inerken değişen büyüklük uzaklıktır. Berilyumda 9,323, borda 8,298 eV ölçülür ve sıra periyot eğiliminin tersine döner. Borda giden elektron bir 2p elektronudur; 2s çekirdeğe daha çok sokulduğu için 2p daha sığ bir basamaktır ve 2s çifti onu kısmen perdeler. Slater kuralları s ile p'yi ayırmadığından bora 2,6, berilyuma 1,95 vererek sıralamayı tersine çevirir.

8. Bir poster taslağı çinkonun 122 pm'lik kovalent yarıçapıyla Cd²⁺'nın 95 pm'lik iyon yarıçapını aynı satıra yazmış ve altına "kadmiyum çinkodan küçüktür" notunu düşmüş. Cümleyi düzelt ve tek bir tanım içinde kalarak doğru oranları ver.

Doğru: İki sayı ayrı tanımlardan geliyor: biri bağlı iki atomun çekirdekleri arasındaki uzaklıktan, öteki bir kristaldeki katyon–anyon uzaklığının paylaştırılmasından. Kovalent yarıçaplarda kadmiyum 144, çinko 122 pm'dir ve 144 ÷ 122 ≈ 1,18; kadmiyum bir kabuk daha büyüktür. İyon yarıçaplarında, aynı koordinasyon sayısında kalındığı sürece, sıra değişmez: altı komşuda 95 ÷ 74 ≈ 1,28, dört komşuda 78 ÷ 60 = 1,30.

Bölüm 3 — Elektron sayısı değiştiğinde

9. Acildeki şeritte potasyum tek artı, kalsiyum iki artı taşıyordu. Potasyumun ilk iki iyonlaşma enerjisi 4,341 ve 31,625 eV, kalsiyumun ikinci ve üçüncüsü 11,87 ve 50,91 eV. Yükleri bu basamaklardan oku ve basamakların tek başına neyi açıklamadığını söyle.

Doğru: Potasyumda uçurum ikinci elektronda açılır, 31,625 ÷ 4,341 ≈ 7,29 kat, çünkü o elektron artık kapanmış 3p alt kabuğundan sökülür; K⁺ bu yüzden tek yüklüdür. Kalsiyumda sıçrama üçüncü elektrona ertelenir: 50,91 ÷ 11,87 ≈ 4,29, dolayısıyla Ca³⁺ görülmez. Sıçramalar yükün üst sınırını çizer, ama kalsiyumun ikinci elektronu da enerji harcatır. O bedel iyonun çevresinden, suda yönelmiş moleküllerden ya da kristaldeki zıt yüklü komşulardan geri alınır; iki yüklü küçük katyonun bu çekimden aldığı pay çok daha büyüktür.

10. O²⁻, Mg²⁺, F⁻ ve Na⁺ iyonlarını altı komşulu hâlde büyükten küçüğe sırala. Her biri kaç elektron taşır, ve boyut farkını hangi büyüklüğe bağlamak yeter?

Doğru: Hepsi on elektronla neonun dizilimini taşır; bu bir izoelektronik seridir. Sıra O²⁻ 140, F⁻ 133, Na⁺ 102 ve en küçük olarak Mg²⁺ 72 pm'dir. Bulut değişmediğine göre boyutu belirleyen, çekirdekteki proton sayısıdır: sekiz proton aynı bulutu en gevşek, on iki proton en sıkı tutar ve 140 ÷ 72 ≈ 1,94.

11. Meslek hastalıkları polikliniğinden gelen idrar kadmiyumu istemini hatırla. Bir öğrenci notuna "Cd²⁺ çinkonun yerine geçer, çünkü kadmiyum çekirdeği vücutta çinkoya dönüşebilir" yazmış. Yanlışı düzelt ve kadmiyumun hem çinko hem kalsiyum bağlayan yerlere neden uyabildiğini sayılarla göster.

Doğru: İyonlaşmada çekirdek hiç değişmez; Cd²⁺ kırk sekiz protonlu bir kadmiyum çekirdeği taşır ve değişen yalnız elektron sayısıdır. Çinkoyla benzerlik elektronlardan gelir: kadmiyum çinkonun altındaki kutuda aynı dış dizilimi, [Kr] 4d¹⁰ 5s² ile taşır ve metalotiyonein iki metali de sistein kükürdüyle aynı bölgelerde tutar. Kalsiyum tarafında boyut belirleyicidir. Altı komşuda Cd²⁺'nın 95 pm'i kalsiyum iyonunun 100 pm'ine neredeyse eşittir, 95 ÷ 100 = 0,95. Elektrofizyologların kalsiyum kanallarını kadmiyumla tıkaması bu benzerliğin deneysel yüzüdür.

Bölüm 4 — Çekirdeğin kendisi değiştiğinde

12. Sıcak odadaki dört çekirdeğin bozunmasını yaz: radyum-223 alfa, iyot-131 beta eksi, flor-18 beta artı, teknesyum-99m izomerik geçiş. Hangilerinde element değişir, hangisinde değişmez?

Doğru: Alfa bozunmasında Z iki, A dört azalır: 88 − 2 = 86 ve 223 − 4 = 219, ürün radon-219. Beta eksi bozunmasında bir nötron protona döner, A yerinde kalır ve Z bir artar; iyot-131 ksenon-131 olur. Beta artıda tersine bir proton nötrona döner ve flor-18 oksijen-18'e iner. İzomerik geçişte hiçbir sayı değişmez: metastabil çekirdek fazla enerjisini 140 keV enerjili bir gama fotonuyla atar ve çekirdek teknesyum-99 olarak kalır, dolayısıyla element yalnız ilk üçünde değişir.

13. Sabah yedide sağılan bir teknesyum-99m şişesinin akşam yedide aktivitesinin ne kadarı kalır? Bir arkadaşın "iki yarı ömür geçti, şişe bitti" diyor; onu düzelt. Vücuttan atılma yarılanması da 6,01 saat olan hayalî bir Tc-99m izleyicisinde aktivite kaç saatte yarıya iner?

Doğru: On iki saatte 12 ÷ 6,01 ≈ 2,00 yarı ömür geçer ve başlangıç aktivitesinin dörtte biri, yaklaşık 0,25'i kalır. Yarı ömür her seferinde o anki miktarı yarılar; sayı her adımda küçülür ama sıfıra inmez. Etkin yarı ömürde hızlar toplanır: 1 ÷ 6,01 + 1 ÷ 6,01 ≈ 0,333 ve 1 ÷ 0,333 ≈ 3,0 saat. Eşit iki sürede etkin yarı ömür her birinin yarısıdır ve her zaman küçük olandan kısadır.

14. Koridordaki kurşun kapının ardında tiroide iyot-131 veriliyor. Tiroid bu iyodürü sıradan iyot-127 iyodüründen neden ayıramaz ve farkı kim görür? Cevabınla defterdeki altı simgenin kenar notlarını denetle.

Doğru: İyot-131 de iyot-127 de 53 protonludur; iyodüre dönüştüklerinde her birinin çevresinde 54 elektron durur ve yük eksi birdir. Sodyum–iyodür simporteri bir anyonu yüküne ve büyüklüğüne bakarak seçer, nötron sayısı ise ikisine de dokunmaz; farkı yalnız çekirdeğin saldığı ışınımı yakalayan dedektör görür. Kenar notları aynı ayrımı taşır: "Zn 64", 65,38 ve Tc-99m'deki m çekirdekten geldiği için Ç, 213,9 nm ile Ca²⁺'nın iki artısı elektronlardan geldiği için E. Cd'nin yanında iki harf durur, çünkü kimliği çekirdekte, çinkoyu ve kalsiyumu taklit edişi elektronlarda ve iyon boyutundadır. Kimyanın izotopa körlüğü yine de mutlak değildir: kütle bir bağın titreşimini biraz değiştirir ve bu kinetik izotop etkisi, göreli kütle farkının en büyük olduğu hidrojende belirginleşir.

Değerlendirme

On dört sorunun en az on birini gerekçesiyle doğru cevapladıysan modülün araçları elinde demektir. Kaçırdığın sorular seni derslere geri yollar: birinci ve dördüncü sorular nötronu ve kütle numarasını tanıtan derse, ikinci ve üçüncü sorular İzotoplar dersine (L02-P06-M01-D03) dayanıyor. Beşinci ve altıncı sorular Elektron Orbitalleri, yedinci ve sekizinci sorular Periyodik Eğilimler dersinden geliyor. Dokuzdan on birinciye kadarki sorular İyonlar dersine, son üç soru da Radyoizotopların Tıbbi Kullanımı dersine bağlı; on dördüncü soru ayrıca Atomun Yapısı dersinin çekirdek ile bulut ayrımını topluyor.

Modülün kapanışı

Yedi derste bir simgeyi iki kata ayırmayı öğrendin. Alt katta çekirdek oturuyordu: atom numarası elementin kimliğini, kütle numarası parçacık sayımını, izotop bolluğu posterdeki kesirli sayıyı verdi. İzobarlar kütle cihazının nerede kör kaldığını gösterdi; bozunma ise çekirdek değiştiğinde elementin de değiştiğini. Bu katın bilgisini ancak bir kütle cihazı ya da bir ışınım dedektörü okuyabildi.

Üst katta elektronlar vardı. Dizilim, bir lambanın dalga boyunu ve bakırın kuraldan sapmasını; etkin çekirdek yükü ile kabuk uzaklığı, yarıçap ve iyonlaşma eğilimlerini açıkladı. İyonlarda yalnız bu katın sayısı değişti ve yük ile boyut, bir taşıyıcının ya da kanalın iyonu tanıdığı iki işaret oldu. Vücudun kimyası neredeyse yalnız bu katı görür. Eser element odası, çinkoyu proteinden koparan plazmayla alt katın bilgisini ölçer; nükleer tıp ise tiroidin göremediği farkı dedektöre okutarak iki kat arasındaki boşluktan yararlanır.

Modül boyunca elektronları saydık, kopardık ve ekledik, ama iki atomun birbirine tutunduğu anı açmadık. İyonlar dersinde (L02-P06-M01-D06) gaz hâlindeki bir sodyum atomundan klora elektron aktarmanın net olarak 1,53 eV kadar enerji istediğini görmüştün. Kimyasal Bağlar modülünün ilk dersi İyonik Bağ bu açığı soracak: sodyum klorür kristali bu bedeli hangi çekimle öder, kafes enerjisi (lattice energy) iyonların yüküne ve yarıçapına nasıl bağlıdır, ve iki yüklü küçük bir iyonun kazancı bu hesapta neden büyük çıkar?